113 年 國立中央大學環境工程研究所乙組《環境工程概論》

本題為基本名詞解釋題，旨在測試考生對環境工程重要概念的理解程度。請針對每一項名詞，從其定義、計算方式、重要性、相關環境議題、產生原因、防治方法等方面進行詳細闡述。

(A) 污泥滯留時間 (Sludge Retention Time, SRT)：
SRT 是指單位微生物質量在生物處理系統中停留的平均時間，是操作管理上的重要參數，尤其在活性污泥法中。
定義：SRT = (系統中總微生物質量) / (單位時間內從系統中移除的微生物質量)
計算：
對於穩態操作的活性污泥系統：
SRT = $\frac{V \cdot X}{Q_w \cdot X_w + Q_e \cdot X_e}$
其中 $V$ 為曝氣池體積 (m³)，$X$ 為曝氣池中總懸浮固體濃度 (mg/L)，$Q_w$ 為污泥回流流量 (m³/d)，$X_w$ 為污泥回流濃度 (mg/L)，$Q_e$ 為廢水排放流量 (m³/d)，$X_e$ 為排放水中總懸浮固體濃度 (mg/L)。
重要性：

• 影響微生物群落結構：較長的 SRT 有利於自營菌（如硝化菌）的生長，較短的 SRT 則有利於異營菌的生長。
• 影響處理效率：足夠的 SRT 是確保硝化作用完全進行的關鍵。
• 影響污泥產量：SRT 越長，單位進水量產生的總污泥量越少，因為較長的停留時間能讓更多微生物在系統內死亡和分解。
• 影響系統穩定性：過短的 SRT 可能導致微生物流失過快，影響處理效果；過長的 SRT 可能導致系統內固體濃度過高，影響傳質效率。

(B) 消毒副產物 (Disinfection By-products, DBPs)：
DBPs 是指在水處理過程中，消毒劑（如氯、氯胺、二氧化氯、臭氧等）與水中天然存在的有機物或無機物反應生成的化合物。
產生原因：

• 消毒劑與水中有機質（例如腐植酸、富里酸等天然有機物）反應，發生鹵代、氧化等反應。
• 消毒劑與水中無機物（例如溴離子）反應。
  常見 DBPs 種類：
• 鹵代甲烷類 (Haloalkanes, HAAs)：如三氯甲烷 (TCM)、二氯乙酸等。
• 鹵代乙烯類 (Haloalkenes)。
• 鹵代芳香族化合物。
• 氰化物 (Cyanogen halides)。
• 溴酸鹽 (Bromate) – 由臭氧或氯二氧化物消毒產生。
  健康疑慮：
  部分 DBPs 被認為具有潛在的致癌性、致突變性或對生殖系統有毒性。因此，許多國家對飲用水中的 DBPs 濃度有嚴格的管制標準。
  防治策略：
• 消毒前去除前驅物：透過混凝、沉澱、過濾等方法降低原水中天然有機物的含量。
• 選擇較不易產生 DBPs 的消毒劑：例如紫外線 (UV) 消毒，其本身不產生 DBPs，但通常需要與其他消毒方法聯合使用以達到殘效。
• 優化消毒劑劑量與接觸時間：在確保消毒效果的前提下，盡量減少消毒劑的使用量。
• 採用替代消毒方法：如紫外線 (UV) 結合過氧化氫，或氯胺（相較於游離氯，產生 DBPs 較少，但需注意形成亞硝酸鹽問題）。

(C) 二噁英 (Dioxins)：
二噁英是一類結構相似的有機氯化合物，包含二苯並對二噁英 (PCDDs) 和二苯並呋喃 (PCDFs)。
結構：由兩個苯環透過一個氧原子連接，並帶有氯原子取代基。
產生來源：

• 不完全燃燒：垃圾焚化爐、工業鍋爐、森林火災、汽車引擎等。
• 化學工業製程：特別是生產含氯有機物，如農藥、塑膠（PVC）的過程中。
• 自然產生：火山爆發、森林火災。
• 廢棄物焚化是主要的工業來源。
  毒性與危害：
• 毒性極強，是劇毒物質，被列為「持久性有機污染物」(POPs)。
• 具有高親脂性，易在生物體內累積，並透過食物鏈傳遞。
• 潛在的健康影響包括：致癌性、免疫抑制、內分泌干擾、生殖與發育毒性。
• 毒性差異很大，其中 2,3,7,8-四氯代二苯駢-p-二噁英 (2,3,7,8-TCDD) 是毒性最強的。
  防治措施：
• 嚴格控制燃燒溫度與時間：在高溫下（>850°C）並有足夠停留時間，有利於二噁英的分解。
• 採用先進的焚化技術：如流體化床焚化爐，並配備完善的煙氣處理系統（如活性炭吸附、袋濾集塵等）。
• 避免含氯物質的燃燒。
• 嚴格管制含氯化學品的生產與使用。
• 進行環境監測與污染場址的修復。

本題要求繪製典型自來水處理流程圖，並標示及說明各單元。自來水處理的目標是將水源水（如河水、湖水、地下水）淨化至符合飲用水水質標準。

典型自來水處理流程圖

水源水 (Raw Water)
    ↓
預處理 (Pre-treatment) (選擇性，如曝氣、加藥)
    ↓
沉砂池 (Grit Chamber) (若為地表水，可能省略)
    ↓
混凝沉澱 (Coagulation & Sedimentation)
    ↓
    ↑ (加藥點：混凝劑、助凝劑、pH調整劑)
    ↓
快濾池 (Rapid Filtration)
    ↓
    ↑ (加藥點：消毒劑、pH調整劑、除味劑)
    ↓
消毒 (Disinfection)
    ↓
pH調整 (pH Adjustment) (若需要)
    ↓
清水池 (Clear Water Reservoir)
    ↓
配水 (Distribution)

各單元說明

1. 水源水 (Raw Water)：

   • 來源：河水、湖水、水庫、地下水等。
   • 特性：水質差異大，可能含有懸浮物、溶解性有機物、細菌、病毒、藻類、懸浮泥沙、污染物等。

2. 預處理 (Pre-treatment) (選擇性)：

   • 曝氣 (Aeration)：
     • 目的：增加水中溶解氧，去除水中揮發性有機物 (VOCs) 和異味物質（如 H₂S），氧化水中 Fe²⁺ 和 Mn²⁺ 使其易於沉澱。
     • 方法：噴灑曝氣、鼓風曝氣。
   • 加藥 (Chemical Dosing)：
     • 目的：在進入混凝沉澱前，調整 pH 值，或加入預氯（用於氧化、殺藻）。
     • 藥劑：酸（如硫酸）或鹼（如石灰、氫氧化鈉）調整 pH；氯氣。

3. 沉砂池 (Grit Chamber) (主要用於地表水處理)：

   • 目的：去除水中較大的懸浮顆粒，如砂、礫石等。
   • 原理：利用重力沉降，讓較重的顆粒在池底沉澱。

4. 混凝沉澱 (Coagulation & Sedimentation)：

   • 混凝 (Coagulation)：
     • 目的：使水中細小的懸浮物和膠質顆粒（帶負電）失去穩定性，並聚結成較大的絮凝體 (floc)。
     • 藥劑：混凝劑（如硫酸鋁 Al₂(SO₄)₃、氯化鐵 FeCl₃、聚合氯化鋁 PAC）和助凝劑（如聚合物、石灰）。

核心觀念

本題考查離心濃縮與旁通混合的總流量平衡、固體質量平衡。依原圖，進料 $Q_0$ 分成送入離心機的 $Q_A$ 與旁通流 $Q_B$；離心機產生的濾液（Centrate）$Q_C$ 排出，濃縮污泥（Cake）$Q_K$ 再與旁通流混合成 $Q_E$。

固體濃度需用小數代入固體質量平衡，例如 $4\%=0.04$。題目給定固體與水的密度相同，因此可將各股體積流量視為可加。

解題方法

先對進料分流點作總流量平衡：

接著對離心機作總流量平衡與固體質量平衡：

由 $Q_C=Q_A-Q_K$ 代入固體平衡：

再對旁通流與 Cake 的混合點作固體質量平衡：

整理得：

代入 $Q_A+Q_B=4$：

本題考查空氣污染控制中針對粒狀物 (particulate matter, PM) 的防治方法。需要列舉三種方法並詳細說明其原理、適用範圍及優缺點。

針對粒狀物污染的控制方法主要可分為兩大類：重力沉降法與慣性分離法，以及過濾法與靜電沉降法。以下列舉三種常見且重要的方法並詳細說明：

1. 旋風分離器 (Cyclone Separator)

   • 原理： 旋風分離器利用離心力來分離氣體中的粒狀物。含塵氣體從切向進入圓筒狀或圓錐狀的殼體，在內部產生旋轉的渦流。較重的粒狀物由於慣性，會沿著殼體壁向外運動，然後在重力作用下沉降到底部集塵區。較輕的氣體則沿著中心軸向上排出。
   • 結構： 主要由進氣管、本體（通常為圓柱形和圓錐形組合）、排氣管（渦旋器）和集塵斗組成。
   • 適用範圍：
     • 適用於處理濃度較高（> 1 g/m³）且粒徑較大（> 10 μm）的粒狀物。
     • 常用於工業鍋爐、水泥製造、糧食加工、金屬加工等場所的預處理或粗級分離。
   • 優點：
     • 結構簡單，操作維護容易。
     • 體積小，成本較低。
     • 無運動部件，可靠性高。
     • 可耐高溫、高壓。
   • 缺點：
     • 對細小粒徑（< 10 μm）的去除效率較低。
     • 對於密度較小的粒狀物去除效率也較差。
     • 通常需要多個旋風分離器串聯或並聯使用以提高效率。

2. 袋濾集塵器 (Baghouse / Fabric Filter)

   • 原理： 袋濾集塵器利用濾布（或濾網）作為過濾介質，將含塵氣體通過濾布，使粒狀物被截留在濾布表面或內部，淨化後的氣體則穿過濾布排出。
   • 結構： 主要由箱體、濾袋（管狀或扁平）、袋框（支撐濾袋）、脈衝噴吹或機械振動的清灰裝置、集塵灰斗等組成。
   • 工作過程：
     • 過濾： 含塵氣體從濾袋外側或內側進入。
     • 粉塵累積： 隨著運行時間，濾袋表面會形成一層粉塵層（稱為「初塵層」），這層粉塵層本身也成為重要的過濾介質，能有效去除更細小的粒狀物。
     • 清灰： 當濾袋上的粉塵累積到一定程度，導致阻力升高時，需要進行清灰，將粉塵清除下來。常見的清灰方式有：
       • 脈衝噴吹 (Pulse Jet)： 透過高壓空氣脈衝，瞬間噴吹濾袋，使粉塵脫落。
       • 機械振動 (Shaker)： 透過機械裝置振動濾袋，使粉塵脫落。
       • 反吹 (Reverse Air)： 改變氣體流動方向，從內向外吹氣，使粉塵脫落。
   • 適用範圍：

本題分為兩部分，第一部分考查台灣廢棄物清理法對廢棄物的分類，第二部分考查固體廢棄物的生物處理與熱處理方法。

(1) 台灣廢棄物清理法對廢棄物的分類 (10%)

根據台灣《廢棄物清理法》（以下簡稱廢清法），廢棄物主要依據其來源、性質及處理方式，分為以下幾類：

• 一般廢棄物 (General Wastes)：
  指日常生活及非事業活動產生之廢棄物。

  • 一般家庭廢棄物 (Household Waste)：指由家戶日常居住、活動中所產生的垃圾，如廚餘、紙張、塑膠、玻璃、金屬、布料等。
  • 一般事業廢棄物 (General Industrial Waste)：指由事業活動（如工廠、辦公室、商業場所、農業、漁業等）所產生，但其性質與一般家庭廢棄物相似，且經主管機關認定者。這類廢棄物通常不會對環境或人體健康造成立即或嚴重的危害。

• 事業廢棄物 (Industrial Wastes)：
  指在事業活動過程中產生的廢棄物。事業廢棄物又依其特性及處理方式，進一步細分為：

  • 有害事業廢棄物 (Hazardous Industrial Wastes)：指經中央主管機關（環保署）公告含有害健康物質、易燃、易爆、腐蝕、毒性、傳染性、放射性等特性之一，或其混合物，足以污染環境，危害國民健康之廢棄物。
    • 特性分類：例如，毒性（重金屬、有機毒物）、易燃性（溶劑）、腐蝕性（強酸、強鹼）、反應性（易爆炸物質）、傳染性（醫療廢棄物）、放射性等。
    • 列管與管制：有害事業廢棄物有嚴格的列管、申報、貯存、處理、再利用及輸出入規定，必須採取特殊措施以防止污染。
  • 一般事業廢棄物 (General Industrial Waste)：指非屬有害事業廢棄物之事業廢棄物。例如，一般工廠生產過程中的邊角料、包裝材料、廢油泥（若未達有害標準）、廢紙、廢塑膠等。
    • 處理要求：雖然性質較不嚴重，但仍需依規定進行妥善處理，避免產生二次污染。

• 其他分類方式 (依廢清法定義)：

  • 巨大廢棄物 (Bulky Waste)：指體積龐大、不易以機械處理之廢棄物，如大型家具（沙發、床墊）、家電（電視、冰箱）等。通常由地方政府環保局進行回收清運。
  • 有害事業廢棄物再利用 (Recycling of Hazardous Industrial Waste)：雖然是事業廢棄物，但若符合環保署公告的再利用項目及管理方式，則視為資源，可進行再利用。

總結：
廢清法主要將廢棄物分為「一般廢棄物」和「事業廢棄物」。
一般廢棄物又分為家庭廢棄物和一般事業廢棄物。
事業廢棄物則進一步細分為「有害事業廢棄物」和「一般事業廢棄物」。
此外，還有「巨大廢棄物」等特殊類別。

(2) 固體廢棄物的生物處理與熱處理方法 (10%)

A. 生物處理方法 (Biological Treatment Method)
生物處理是利用微生物（細菌、真菌、酵母菌等）的代謝作用來分解、轉化或穩定有機性廢棄物的方法。

• 方法範例：堆肥化 (Composting)
  • 原理： 堆肥化是利用好氧微生物在適當的溫度、濕度、氧氣和營養條件下，分解有機廢棄物中的複雜有機物，使其轉化為穩定、無害的腐植質（堆肥）。
  • 過程：
    1. 預處理： 收集有機廢棄物（如廚餘、農業廢棄物、污泥等），去除不可堆肥成分（如塑膠、金屬），並可能進行破碎以增加表面積。